CHẾ ĐỘ XỬ LÝ THỦY - NHIỆT VÀ CHẤT LƯỢNG GỖ BẠCH ĐÀN

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOBỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP NGUYỄN VĂN DIỄN NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CHẾ ĐỘ XỬ LÝ THỦY - NHIỆT ĐẾN CHẤT LƢỢNG GỖ BẠCH ĐÀN (Eucalyptus urophylla S.T Blake) LUẬN ÁN TIẾN SĨ SẢN XUẤT VÀ CHẾ BIẾN H Nội - 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOBỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP NGUYỄN VĂN DIỄN NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CHẾ ĐỘ XỬ LÝ THỦY - NHIỆT ĐẾN CHẤT LƢỢNG GỖ BẠCH ĐÀN (Eucalyptus urophylla S.T Blake) Chuyên ng nh: Kỹ thuật Chế biến Lâm sản Mã số: 62 54 03 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ SẢN XUẤT VÀ CHẾ BIẾN Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: GS.TS Phạm Văn Chƣơng PGS.TS Lê Xuân Phƣơng H Nội - 2015 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận án Tiến sĩ sản xuất chế biến mang tên “Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ xử lý thủy - nhiệt đến chất lượng gỗ Bạch đàn (Eucalyptus urophylla S.T Blake)”, mã số 62 54 03 01 Đây công trình nghiên cứu riêng Tôi xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu Luận án hoàn toàn trung thực chƣa đƣợc công bố công trình khác dƣới hình thức Tôi xin chịu trách nhiệm trƣớc Hội đồng Bảo vệ Luận án Tiến sĩ lời cam đoan Hà Nội, ngày 18 tháng 12 năm 2015 Tác giả luận án Nguyễn Văn Diễn ii LỜI CẢM ƠN Nhân dịp hoàn thành luận án, cho phép bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS Phạm Văn Chƣơng, PGS.TS Lê Xuân Phƣơng tận tình giúp đỡ hƣớng dẫn trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận án Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới Bộ Giáo dục Đào tạo, Bộ Nông nghiệp Phát triển nông thôn giúp đỡ sở pháp lý để hoàn thành luận án Tôi xin chân thành cảm ơn Đảng ủy, Ban giám hiệu Trƣờng Đại học Lâm nghiệp, tập thể cán giáo viên Khoa Chế biến Lâm sản (nay Viện Công nghiệp gỗ), Trung tâm thí nghiệm Phát triển Công nghệ, Phòng đào tạo Sau đại học, Thƣ viện, Phòng chức thuộc Trƣờng Đại học Lâm nghiệp giúp đỡ sở vật chất, trang thiết bị thí nghiệm công sức để hoàn thành luận án Tôi xin chân thành cảm ơn Bộ môn Công nghệ giấy, xenlulo - Viện Kỹ thuật hóa học Trƣờng Đại học Bách khoa - Hà Nội, Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia vật liệu linh kiện điện t - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, Phòng thí nghiệm Viện vệ sinh dịch t Trung Ƣơng tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ hoàn thành luận án Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới thầy cô giáo, bạn bè đồng nghiệp tôi, ngƣời công tác tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện, môi trƣờng làm việc tốt để thực luận án Cuối cùng, xin g i lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè đồng nghiệp dành cho lời động viên, khích lệ giúp hoàn thành luận án này./ Hà Nội, ngày 18 tháng 12 năm 2015 Nghiên cứu sinh Nguyễn Văn Diễn iii MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt vii Danh mục hình vẽ viii Danh mục bảng x MỞ ĐẦU Chƣơng TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Khái niệm biến tính gỗ x lý thủy - nhiệt 1.1.1 Khái niệm biến tính gỗ 1.1.2 Khái niệm x lý thuỷ - nhiệt 2.2 Tổng quan nghiên cứu x lý nhiệt thủy - nhiệt 2.2.1 Tình hình nghiên cứu nƣớc 2.2.1.1 Các phƣơng pháp x lý nhiệt 2.2.1.2 Các công trình nghiên cứu x lý nhiệt thủy - nhiệt 11 2.2.2 Tình hình nghiên cứu Việt Nam 16 1.3 Đánh giá ƣu nhƣợc điểm phƣơng pháp biến tính gỗ phân tích đánh giá công nghệ x lý nhiệt 20 1.3.1 Ƣu nhƣợc điểm phƣơng pháp biến tính gỗ 20 1.3.2 Phân tích, đánh giá công nghệ x lý nhiệt 22 1.4 Định hƣớng s dụng sản phẩm x lý nhiệt 24 1.5 Nhận xét kết định hƣớng nghiên cứu luận án 25 Chƣơng ĐỐI TƢỢNG, PHẠM VI, MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28 2.1 Đối tƣợng nghiên cứu 28 2.1.1 Đối tƣợng nghiên cứu tổng quát 28 2.1.2 Đối tƣợng nghiên cứu cụ thể 28 2.2 Phạm vi nghiên cứu 28 2.2.1 Các yếu tố cố định 28 iv 2.2.2 Các yếu tố thay đổi 29 2.3 Mục tiêu luận án 29 2.3.1 Mục tiêu lý thuyết 29 2.3.2 Mục tiêu thực ti n 30 2.4 Nội dung nghiên cứu 30 2.5 Phƣơng pháp nghiên cứu 31 2.5.1 Phƣơng pháp kế thừa 31 2.5.2 Phƣơng pháp thực nghiệm 31 2.5.3 Phƣơng pháp đánh giá chất lƣợng s dụng tiêu chuẩn kiểm tra 36 2.6 Ý nghĩa Luận án 44 2.6.1 Ý nghĩa khoa học 44 2.6.2 Ý nghĩa thực ti n 44 2.7 Những đóng góp Luận án 45 Chƣơng CƠ SỞ LÝ THUYẾT 46 3.1 Cơ sở khoa học x lý gỗ 46 3.2 Lý thuyết x lý thủy - nhiệt 49 3.3 Cơ chế biến đổi tính chất gỗ x lý thuỷ- nhiệt 51 3.3.1 Quá trình biến đổi gỗ x lý thủy - nhiệt 51 3.3.2 Cơ chế biến đổi khối lƣợng thể tích gỗ 52 3.3.3 Cơ chế biến đổi tính ổn định kích thƣớc gỗ 53 3.3.4 Cơ chế biến đổi tính chất học gỗ 54 3.3.5 Tính thấm ƣớt khả dán dính 58 3.3.6 Màu sắc bề mặt 59 3.4 Các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng gỗ x lý thuỷ - nhiệt 59 3.4.1 Ảnh hƣởng nhiệt độ x lý đến chất lƣợng gỗ x lý thuỷ - nhiệt 60 3.4.2 Ảnh hƣởng thời gian x lý đến chất lƣợng gỗ x lý thuỷ - nhiệt 61 3.4.3 Ảnh hƣởng số yếu tố khác đến chất lƣợng gỗ x lý thuỷ - nhiệt 61 3.5 Giới thiệu chung gỗ Bạch đàn 63 3.5.1 Nguồn gốc phân bố 63 3.5.2 Đặc điểm, cấu tạo gỗ Bạch đàn 63 3.5.3 Tính chất gỗ Bạch đàn 64 3.5.4 Công dụng gỗ Bạch đàn 65 Chƣơng KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 66 4.1 Địa điểm, thông số đầu vào nguyên liệu 66 v 4.2 Quá trình thực nghiệm x lý thủy nhiệt gỗ Bạch đàn 66 4.2.1 Sơ đồ thực nghiệm công nghệ x lý thủy - nhiệt 66 4.2.2 X lý thủy - nhiệt cho gỗ Bạch đàn 66 4.3 Thiết bị x lý thủy nhiệt dụng cụ thí nghiệm 68 4.4 Quá trình lấy mẫu kiểm tra 69 4.4.1 Phƣơng pháp lấy mẫu thí nghiệm 69 4.4.2 Kiểm tra mẫu thí nghiệm 70 4.5 Phân tích đánh giá kết nghiên cứu 81 4.5.1 Ảnh hƣởng chế độ x lý thủy - nhiệt đến khối lƣợng thể tích gỗ Bạch đàn81 4.5.2 Ảnh hƣởng chế độ x lý thủy - nhiệt đến Hệ số chống trƣơng nở ASE gỗ Bạch đàn 84 4.5.3 Ảnh hƣởng chế độ x lý thủy - nhiệt đến hiệu suất chống hút nƣớc (WRE) gỗ Bạch đàn 87 4.5.4 Ảnh hƣởng chế độ x lý thủy - nhiệt đến Độ bền uốn tĩnh gỗ Bạch đàn 90 4.5.5 Ảnh hƣởng chế độ x lý thủy - nhiệt đến Độ bền nén dọc thớ gỗ Bạch đàn93 4.5.6 Ảnh hƣởng chế độ x lý thủy - nhiệt đến độ bền nén ngang thớ theo chiều xuyên tâm tiếp tuyến gỗ Bạch đàn 96 4.5.7 Ảnh hƣởng chế độ x lý thủy - nhiệt đến Độ nhám bề mặt gỗ Bạch đàn 101 4.5.8 Ảnh hƣởng chế độ x lý thủy - nhiệt đến Độ bền kéo trƣợt màng keo Độ bong tách màng keo gỗ Bạch đàn 104 4.5.9 Ảnh hƣởng chế độ x lý thủy - nhiệt đến thay đổi màu sắc độ bền màu tự nhiên gỗ Bạch đàn 112 4.5.9.1 Sự thay đổi màu sắc gỗ Bạch đàn trƣớc sau x lý thủy - nhiệt 112 4.5.9.2 Biến màu tự nhiên gỗ Bạch đàn sau x lý thủy - nhiệt 115 4.5.10 Ảnh hƣởng chế độ x lý thủy - nhiệt đến cấu tạo gỗ Bạch đàn 117 4.5.11 Ảnh hƣởng chế độ x lý thủy - nhiệt đến thành phần hoá học gỗ Bạch đàn 120 4.5.12 Ảnh hƣởng chế độ x lý thủy - nhiệt đến cấu trúc hóa học gỗ Bạch đàn phân tích FTIR 125 4.5.12.1 Cấu trúc hóa học gỗ phân tích phổ hồng ngoại (FTIR) 125 4.5.12.2 Cấu trúc hoá học gỗ Bạch đàn phân tích FTIR 128 vi 4.5.13 Ảnh hƣởng chế độ x lý thủy - nhiệt đến cấu trúc hóa học gỗ Bạch đàn phân tích phổ nhi u xạ tia X (XRD) 131 4.5.13.1 Khái niệm phổ nhi u xạ tia X (XRD) 131 4.5.13.2 Tính toán độ kết tinh xenlulo 132 4.5.13.3 Kết phân tích cấu trúc hóa học gỗ Bạch đàn phân tích phổ nhi u xạ tia X (XRD) 133 4.6 Vùng phù hợp thông số công nghệ x lý thủy - nhiệt cho gỗ Bạch đàn 135 4.6.1 Xác định vùng phù hợp tính chất học, vật lý công nghệ gỗ Bạch đàn x lý thủy - nhiệt 135 4.6.2 Phân tích đánh giá tiêu nhƣ màu sắc, thành phần hóa học bản, cấu tạo cấu trúc gỗ Bạch đàn đƣợc x lý thủy - nhiệt 141 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 142 5.1 Kết luận 142 5.2 Kiến nghị 144 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Stt Ký hiệu ASE Hệ số chống trƣơng nở WRE T Hiệu suất chống hút nƣớc gỗ % Nhiệt độ 10 Diễn giải Đơn vị % C τ ms Thời gian Khối lƣợng mẫu sau ngâm Giờ g mo Khối lƣợng mẫu khô kiệt g T1 Hút nƣớc trung bình mẫu đối chứng % T2 Hút nƣớc trung bình mẫu x lý % ac(v) Trƣơng nở thể tích trung bình mẫu đối chứng % a1(v) Trƣơng nở thể tích trung bình mẫu x lý % Vs Thể tích mẫu sau ngâm cm3 Vo Thể tích mẫu sau sấy cm3 13 xK Khối lƣợng thể tích gỗ khô kiệt 14 m0 Khối lƣợng gỗ khô kiệt 15 V0 Thể tích gỗ khô cm3 16 MOR Độ bền uốn tĩnh MPa 17 COM// Cƣờng độ nén dọc thớ MPa 18 COM xR Độ bền nén dọc thớ theo chiều xuyên tâm MPa 19 COM xT Độ bền nén dọc thớ theo chiều tiếp tuyến MPa 20 COM// Độ bền nén dọc thớ MPa 21 Rmax Độ nhám bề mặt µm 22 xk Độ bền kéo trƣợt màng keo MPa 11 12 23 24 25 -OH TCVN X Hydroxyl Tiêu chuẩn Việt Nam Giá trị trung bình mẫu g/cm3 g viii 26 27 28 29 S SEM Sai số số trung bình mẫu Kính hiển vi điện t quét SEM FTIR Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier FTIR XRD phổ nhi u xạ tia X XRD DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ H nh Tên h nh v , thị Trang 1.1 Biến tính gỗ tác động đến cấu trúc tế bào gỗ 1.2 Quá trình biến tính thủy - nhiệt 1.3 Thiết bị x lý nhiệt thủy - nhiệt 1.4 Ứng dụng gỗ x lý thủy – nhiệt dùng nội ngoại thất 25 2.1 Sơ đồ tổng quát trình nghiên cứu thực nghiệm Luận án 32 2.2 Máy đo độ nhám bề mặt mẫu 39 2.3 Vị trí đo màu bề mặt gỗ Bạch đàn Uro 40 2.4 41 3.1 Máy quét SEM S-4800 Các thành phần hóa học cấu tạo nên gỗ 3.2 Hợp chất cao phân t xenlulo dƣới dạng 3D 47 3.3 Sợi hemicellulo vách tế bào gỗ 48 3.4 Vị trí lignin vách tế bào gỗ 42 3.5 Sự thay đổi liên kết hydro phân t xenlulo trình x lý nhiệt 54 3.6 Quá trình nhiệt giải hemixenlulo gỗ 55 3.7 Quá trình nhiệt giải xenlulo Cơ chế phản ứng gỗ trình x lý nhiệt 57 4.1 Sơ đồ công nghệ x lý thuỷ - nhiệt 66 4.2 Thiết bị x lý thuỷ nhiệt 68 4.3 Kích thƣớc mẫu xác định độ bền uốn tĩnh 71 4.4 4.4a Máy tính Lenovo Y410; 4.4b Máy Scaner Epson 1670; 4.4c Quét mẫu gỗ Bạch đàn 75 4.5 Biểu đồ quan hệ chế độ x lý với khối lƣợng thể tích 82 4.6 Biểu đồ quan hệ chế độ x lý với ASE 85 3.8 46 58 131 1375 cm-1 (đặc trƣng cho đỉnh peak nhóm –C=O) giảm xuống, thay đổi cƣờng độ hấp thụ đỉnh vị trí nhóm chức –OH rõ rệt Hiện tƣợng xảy phân t xenlulo xảy liên kết ngang (Cross-linking) thông qua nhóm –OH [76] loại bỏ phân t nƣớc hình thành liên kết ete, làm cho số lƣợng nhóm –OH giảm xuống Tiếp đó, đƣờng đơn phân t hemixenlulo gỗ tác dụng nhiệt độ cao bị thủy phân tạo thành axit axetic làm cho phần định số lƣợng nhóm có khả hút nƣớc bị giảm xuống Với tác dụng tổng hợp nguyên nhân nói làm cho cƣờng độ hấp thụ vị trí peak nhóm –OH gỗ qua x lý thủy-nhiệt giảm xuống nhiệt độ x lý tăng lên Từ số liệu phổ hồng ngoại mẫu gỗ sau x lý chế độ khác thấy, vị trí tần số sóng khoảng 3400 cm-1 thể có mặt nhóm –OH, cƣờng độ hấp thụ vị trí thay đối gần nhƣ có quy luật định theo chế độ x thủy-nhiệt khác nhau, có xu hƣớng giảm xuống nhiệt độ x lý tăng Điều có nghĩa tăng nhiệt độ x lý góp phần làm giảm hàm lƣợng nhóm thân nƣớc (-OH), hay nói cách khác, x thủy-nhiệt làm giảm tác nhân gây hút nƣớc gỗ Điều hoàn toàn phù hợp với kết xác định tính ổn định kích thƣớc tính hút nƣớc gỗ thủy-nhiệt 4.5.13 Ảnh hưởng chế độ xử lý thủy - nhiệt đến cấu trúc hóa học gỗ Bạch đàn phân tích phổ nhiễu xạ tia X (XRD) 4.5.13.1 Khái niệm phổ nhiễu xạ tia X (XRD) Nhi u xạ đặc tính chung sóng bị thay đổi tƣơng tác với vật chất giao thoa tăng cƣờng nhiều sóng tán xạ Quá trình hấp thụ tái phát xạ điện t gọi tán xạ Mỗi photon có lƣợng E tỷ lệ với tần số x nó: E = h.x Mặt khác tần số x liên quan tới bƣớc sóng x theo công thức sau: 132 Trong đó: h - số Plank, h = 4,136 10-15 e5.s hay 6,626.10-34 J.s c – tốc độ ánh sáng c = 2,998 10-8 m/s Theo tính toán bƣớc sóng tia X khoảng 0,2 nm (2Ao) 4.5.13.2 Tính toán độ kết tinh xenlulo Độ kết tinh xenlulo tỉ lệ phần trăm vùng kết tinh xenlulo gỗ Tính chất học gỗ nhƣ cƣờng độ chịu kéo, mô đun đàn hồi, độ cứng tính ổn định kích thƣớc loại vật liệu gỗ thƣờng tăng lên độ kết tinh gỗ tăng lên [75] Nhằm xác định độ kết tinh xenlulo gỗ trƣớc sau x lý nhiệt, thí nghiệm Luận án tiến hành áp dụng phƣơng pháp nhi u xạ tia X (XRD) để tiến hành phân tích Sau chụp đƣợc phổ XRD gỗ, tiến hành s dụng phần mềm chuyên dùng để xác định cƣờng độ đỉnh tƣơng ứng với góc 2x thể vùng kết tinh vùng vô định hình (hình 4.31) Hình 4.31 Phƣơng pháp o tính ộ kết tinh xenlulo a Phƣơng pháp Segal; b Phƣơng pháp Turkey 133 Áp dụng phƣơng pháp Segal Turkey [75] để tính toán độ kết tinh xenlulo theo công thức saux Cr I x I 002 x I am x 100% I 002 Trong đó: CrI - Độ kết tinh (%); I002 - Cƣờng độ cực đại góc nhi m xạ ứng với mặt (002) tinh thể (đơn vị bất kỳ); Iam - Cƣờng độ tán xạ góc nhi m xạ gần vị trí 18o, vùng vô định hình, đơn vị giống đơn vị I002 4.5.13.3 Kết phân tích cấu trúc hóa học gỗ Bạch đàn phân tích phổ nhiễu xạ tia X (XRD) Thông qua xác định độ kết tinh xenlulo gỗ Bạch đàn cho thấy trình x lý, tác dụng nhiệt độ cao làm thay đổi cấu trúc hóa học xenlulo, đồng thời ảnh hƣởng đến độ kết tinh xenlulo gỗ [75],[76] Đặc trƣng phổ XRD mẫu gỗ Bạch đàn trƣớc sau x lý đƣợc thể hình 4.32 250 200 Intensity (a.u.) 150 100 50 10 15 20 25 30 35 Theta (degree) Mẫ u ĐC Mẫ u-A1 Hình 4.32 Phổ nhiễu xạ tia X m u gỗ Bạch Mẫ u-C3 Mẫ u-B2 n trƣớc v sau xử lý nhiệt 40 134 Từ giản đồ nhi u xạ tia X (XRD) thấy, gỗ Bạch đàn sau x lý chế độ A1 (120-3), B2 (160-3), C3 (200-3) so với gỗ đối chứng có vị trí đỉnh peak bề mặt tinh thể 002 tƣơng đồng (2x từ 22,3 đến 22,5) Điều thể x lý nhiệt độ cao không gây ảnh hƣởng đến vị trí đỉnh peak bề mặt tinh thể 002, tức không làm thay đổi khoảng cách lớp tinh thể Thông qua phổ mẫu gỗ x lý chế độ khác thí nghiệm xác định đƣợc độ kết tinh xenlulo gỗ đối chứng gỗ sau x lý nhiệt Kết thể hình 4.33 BIỂU ĐỒ QUAN HỆ CỦA CHẾ ĐỘ XỬ LÝ VỚI ĐỘ KẾT TINH (%) 90 80 70 Độ kết 60 tinh,50 % 40 30 20 10 ĐC 120-3 Hình 4.33 Độ kết tinh xenlulo gỗ Bạch Chế độ xử lý 160-3 200-3 n trƣớc v sau xử lý thủy-nhiệt Từ hình 4.33 ta thấy, độ kết tinh xenlulo gỗ qua x lý nhiệt cao so với gỗ đối chứng theo quy luật định Khi nhiệt độ x lý tăng lên, độ kết tinh xenlulo gỗ tăng lên Tuy nhiên, với mẫu gỗ x lý chế độ độ A1 (120-3) B2 (160-3) độ kết tinh gỗ gần nhƣ không thay đổi nhiều so với mẫu đối chứng Nguyên nhân dẫn đến thay đổi độ kết tinh trình x lý nhiệt nhóm hydroxyl (-OH) chuỗi xenlulo bề mặt vi sợi (microfibril) xảy mối liên kết ngang tách phân t nƣớc, làm cho 135 vi sợi xếp cách có trật tự hơn; đồng thời phân t xenlulo vùng vô định hình tự xếp lại có trật tự hơn, từ làm cho độ kết tinh xenlulo gỗ sau x lý nhiệt cao so với gỗ đối chứng xác định phổ nhi u xạ tia X Khi nhiệt độ tăng lên 2000C, hemixenlulo bị thủy phân tạo a xít axetic có tác dụng phân giải phần xenlulo vùng vô định hình, chí vùng kết tinh vi sợi, từ làm cho kết cấu hóa học gỗ thay đổi Điều làm cho số tính chất gỗ thay đổi theo hƣớng nâng cao tính ổn định kích thƣớc gỗ nhƣng số tính chất học gỗ giảm [22],[30],[45],[57] 4.6 Vùng phù hợp thông số công nghệ xử lý thủy - nhiệt cho gỗ Bạch n 4.6.1 Xác định vùng phù hợp tính chất học, vật lý công nghệ gỗ Bạch đàn xử lý thủy - nhiệt Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật nói chung Công nghệ Chế biến lâm sản nói riêng, việc xác định thông số công nghệ trình nghiên cứu có ý quan trọng định thành công sản phẩm Trong phạm vi nghiên cứu luận án này, tác giả dùng kỹ thuật máy tính để thiết lập phƣơng trình tƣơng ứng với tính chất thông qua kết thông qua thực nghiệm, kiểm tra xác định; Dùng phƣơng pháp chuyên gia phân tích, xây dựng chia trọng số kết nghiên cứu hai biến số nhiệt độ, thời gian theo bảng 4.18 Bảng 4.18 Chia trọng số tính chất TT Tính chất ASE WRE KLTT ĐBUT ND NN-TT NN- XT Trọng số theo nhóm Trọng số 2/3 Vật lý Cơ học 1/2 1/2 1/3 2/3 6/18 2/3 2/18 1/3 1/18 1/2 3/18 1/2 1/3 1/18 1/3 1/18 1/3 1/18 136 ĐNBM KTMK 10 BTMK Công nghệ 1/3 1/3 1/18 1/3 1/18 1/3 1/18 Các bƣớc để xác định miền thông số công nghệ phù hợp cho x lý thủy nhiệt gỗ Bạch đàn điều kiện thực nghiệm theo tiêu tính chất học, vật lý tính chất công nghệ đƣợc thực nhƣ sau: Bƣớc 1: Xác định hàm mục tiêu trọng số ƣu tiên hàm Trong luận án, hàm số mục tiêu tham gia tính toán đƣợc xác định đƣợc trình bày phần (1), gồm phƣơng trình từ 4.2b đến 4.10b Bằng phƣơng pháp chuyên gia, hàm mục tiêu đƣợc phân thành nhóm: nhóm tính chất học, nhóm tính chất vật lý nhóm tính chất gia công gỗ Các giá trị trọng số ƣu tiên (gia quyền) đƣợc xác định nhƣ bảng 4.18 Bƣớc 2: Triệt tiêu thứ nguyên hàm mục tiêu Bƣớc 3: Đồng mục tiêu Bƣớc 4: Xây dựng phƣơng trình mục tiêu tổng hợp Bƣớc 5: Xác định giá trị miền phù hợp theo phƣơng trình tổng hợp (1) Các phương trình dạng thực tính chất tham gia giải tối ưu gồm: - Khối lƣợng thể tích (KLTT): Y= 1,208 - 0,0068T + 0,0000165T2 + 0,011τ - 0,000085Tτ - 0,0005τ2 (4.1b) - Hệ số chống trƣơng nở (ASE): Y= - 49,4679 + 0,80722T - 0,001783T2 + 0,6872τ - 0,00054Tτ + 0,0463τ2 (4.2b) - Hiệu suất chống hút nƣớc (WRE): Y= 46,685 - 0,643T + 0,00295T2 - 1,071τ + 0,0168Tτ - 0,005τ2 (4.3b) - Độ bền uốn tĩnh (ĐBUT): Y= 39,121 + 1,441T - 0,0071T2 - 3,843τ + 0,00892Tτ - 0,15τ2 (4.4b) 137 - Độ bền nén dọc thớ (ND): Y= 47,3142 + 0,48898T - 0,0025T2 + 0,32τ - 0,0166Tτ + 0,104τ2 (4.5b) - Độ bền nén ngang thớ theo chiều xuyên tâm (NN-XT): Y= 5,414 + 0,100125T - 0,00055T2 - 0,1564τ + 0,00079Tτ - 0,039τ2 (4.6b) - Độ bền nén ngang thớ theo chiều tiếp tuyến (NN-TT): Y= 6,7894 + 0,04898T - 0,0003018T2 - 0,03304τ + 0,0015Tτ - 0,0215τ2 (4.7b) - Độ nhám bề mặt (ĐNBM): Y= 471,101 - 4,0892T + 0,01105T2 - 14,977τ + 0,01838Tτ + 1,5227τ2 (4.8b) - Độ bền kéo trƣợt màng keo (KTMK): Y= - 11,5747 + 0,27958T - 0,00106T2 - 0,5177τ + 0,00275Tτ - 0,0526τ2 (4.9b) - Độ bong tách màng keo (BTMK): Y= 63,2241 - 0,7816T + 0,00328T2 + 1,131τ - 0,004Tτ + 0,0817τ2 (4.10b) (2) Triệt tiêu thứ nguyên tính chất: Mục đích việc triệt tiêu thứ nguyên tính chất để đƣa tích chất (vật lý, học công nghệ) thành trị số thứ nguyên Sau triệt tiêu thứ nguyên giá trị tinh chất biến động từ đến 100 Công thức triệt tiêu thứ nguyên: Y – ∆/100 Trong đó: - Y hàm số dạng thực tính chất; - ∆ khoảng biến động (∆ = max - min) Ta đƣợc phƣơng trình tính chất nhƣ sau: - Hệ số chống trƣơng nở (ASE): Y= - 428,49 + 4,85335T - 0,0101T2 + 3,90189τ - 0,0031Tτ + 0,26289τ2 (4.11) 138 - Hiệu suất chống hút nƣớc (WRE): Y= 118,813 - 2,3415T + 0,01074T2 - 3,9τ + 0,06131Tτ - 0,0175τ2 (4.12) - Khối lƣợng thể tích (KLTT): Y= 569,311 - 5,267T + 0,01277T2 + 8,51393τ - 0,0658Tτ - 0,387τ2 (4.13) - Độ bền uốn tĩnh (ĐBUT): Y= - 4,211 + 2,33446T - 0,0115T2 - 6,2256τ + 0,01444Tτ - 0,2432τ2 (4.14) - Độ bền nén dọc thớ (ND): Y= 36,1791 + 1,66193T - 0,0087T2 + 1,0876τ - 0,0565Tτ + 0,35449τ2 (4.15) - Độ bền nén ngang thớ theo chiều tiếp tuyến (NN-TT): Y= 67,9361 + 1,41436T - 0,0087T2 - 9,5417τ + 0,04332Tτ - 0,6209τ2 (4.16) - Độ bền nén ngang thớ theo chiều xuyên tâm (NN-XT): Y= 33,4724 + 1,83168T - 0,0101T2 - 2,8612τ + 0,01445Tτ - 0,7208τ2 (4.17) - Độ nhám bề mặt (ĐNBM): Y= 899,851 - 9,1876T + 0,02482T2 - 33,65τ + 0,04128Tτ + 3,42119τ2 (4.18) - Độ bền kéo trƣợt màng keo (KTMK): Y= - 285,97 + 5,93815T - 0,0226T2 - 10,996τ + 0,05841Tτ - 1,1172τ2 (4.19) - Độ bong tách màng keo (BTMK): Y= 235,937 - 4,0525T + 0,017T2 + 5,86433τ - 0,0205Tτ + 0,42362τ2 (4.20) (3) Đồng mục tiêu: Việc giải toán tối ƣu mà hàn số tham dự phải mục tiêu, hay nói cách khác giá trị tính chất phải chiều với chất lƣợng sản phẩm Trong nghiên cứu luận án giá trị tính chất cao chất lƣợng sản phẩm tốt Tuy nhiên, số giá trị tính chất ngƣợc lại, giá trị 139 tính cao chất lƣợng sản phẩm giảm cụ thể giá trị độ nhám bề mặt, bong tách màng keo Vì thế, ta tiến hành nghịch đảo hàm số nhân hệ số phƣơng trình chúng với -1 để hàm số chiều đồng mục tiêu với hàm số khác tiến hành giải toán Từ ta nghịch đảo hệ số hai phƣơng trình độ nhám bề mặt bong tách màng keo đƣợc hai phƣơng trình sau: - Độ nhám bề mặt (ĐNBM): Y= -899,851 + 9,1876T - 0,02482T2 + 33,65τ - 0,04128Tτ - 3,42119τ2 (4.21) - Độ bong tách màng keo (BTMK): Y= -235,937 + 4,0525T - 0,017T2 - 5,86433τ + 0,0205Tτ - 0,42362τ2 (4.22) (4) Nhân trọng số gia quyền: Sau nghịch đào hàn số để hàm số tham gia giải bài toán tối ƣu chiều với Sau đó, ta nhân trọng số tƣơng ứng (bảng 4.18) vào hàm số tính chất ta đƣợc hệ phƣơng trình (4.23) nhƣ sau: YASE = - 2570,9 + 27,5001T - 0,0608T2 + 23,4113τ - 0,0184Tτ + 1,57733τ ; YWRE = 237,625 - 4,683T + 0,02148T2 - 7,8τ + 0,12262Tτ - 0,035τ ; 2 YKLTT = 569,311 - 5,267T + 0,01277T2 + 8,51393τ - 0,0658Tτ - 0,387τ ; YĐNUT = - 12,633 + 7,00337T - 0,0346T2 - 18,677τ + 0,04333Tτ - 0,7295τ ; YND = 36,1791 + 1,66193T - 0,0087T2 + 1,0876τ - 0,0565Tτ - 0,35449τ ; (4.23).2 YNN-TT = 67,9361 + 1,41436T - 0,0087T2 - 9,5417τ + 0,04332Tτ - 0,6209τ ; YNN-XT = 33,4724 + 1,83168T - 0,0101T2 - 2,8612τ + 0,01445Tτ - 0,7208τ ; YĐNBM = - 899,85 + 9,18759T - 0,0248T2 + 33,6502τ - 0,0413Tτ - 3,4212τ ; YKTMK = - 285,97 + 5,93815T - 0,0226T2 - 10,996τ + 0,05841Tτ - 1,1172τ ; YNN-XT = - 235,94 + 4,05248T - 0,017T2 - 5,8643τ + 0,02053Tτ - 0,4236τ (5) Phương trình tổng hợp: 140 Tổng hợp phƣơng trình ta đƣợc phƣơng trình tổng hợp từ hệ phƣơng trình trên, ta có: YTH = - 3060,78 + 48,64T - 0,15T2 + 10,92τ + 0,12Tτ - 5,52τ2 (4.24) Giải phƣơng trình tổng hợp (4.24) tính chất (vật lý, học công nghệ) với điều kiện hàm mục tiêu, kết thu đƣợc nhƣ sau: - Nhiệt độ: T = 160,28 oC - Thời gian: τ = 2,74 h VÙNG PHÙ HỢP CỦA THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ THỦY NHIỆT GỖ BẠCH ĐÀN URO 840-860 860 840 820 800 780 760 740 720 700 680 660 640 620 600 580 560 540 520 500 820-840 Trị số 780-800 760-780 740-760 720-740 700-720 680-700 660-680 640-660 620-640 1,5 2,5 Thời gian 800-820 3,5 Hình 4.34 Biểu 4,5 2005 190 180 170 160 150 120 140 130 600-620 580-600 Nhiệt độ tính toán vùng thông số công nghệ hợp lý Ở hình 4.34, vào kết xác định tính chất học, vật lý công nghệ gỗ Bạch đàn x lý thủy - nhiệt, tác giả đặt trọng số ƣu tiên để phù hợp với mục đích định hƣớng s dụng sản phẩm, cụ thể định hƣớng s dụng sản phẩm luận án gỗ x lý làm đồ mộc nhƣ khung, khuôn c a, bậc cầu thang sản phẩm trời,… Vì thế, ƣu tiên tính ổn định kích thƣớc (hệ số chống trƣơng nở (ASE), hiệu suất chống hút nƣớc (WRE) lại trọng số phụ Tiến hành giải toán tối ƣu để xây dựng vùng trị số tƣơng ứng với kết tính chất tƣơng ứng cho đồ 560-580 141 thị hình 4.34 Từ đó, xây dựng đƣợc biểu đồ biểu di n vùng phù hợp thông số công nghệ phù hợp với biến số luận án 4.6.2 Phân tích đánh giá tiêu màu s c, thành ph n hóa học bản, cấu tạo cấu trúc gỗ Bạch đàn xử lý thủy - nhiệt S dụng phƣơng pháp chuyên gia phân tích đánh giá kết nghiên cứu tiêu nhƣ màu sắc, thành phần hóa học bản, cấu tạo cấu trúc gỗ Bạch đàn x lý thủy – nhiệt, cụ thể nhƣ sau: - Đối với biến đổi màu sắc độ bền màu tự nhiên gỗ Bạch đàn x lý thủy nhiệt: vào kết nghiên biến đổi màu sắc (bảng 4.13) biến màu tự nhiên (bảng 4.14) cho thấy chế độ nhiệt độ thời gian (160-3; 160-5; 180-2; 180-4; 200-3) không biến màu tự nhiên (ΔE*≤ 3) - Đối với cấu tạo siêu hiển vi (SEM) chế độ 200-3 có thay đổi hình dạng tế bào, lỗ thông ngang bị phá hủy (hình 4.20) - Đối với thành phần hóa học bản: nhiệt độ 120 0C đến 1800C hàm lƣợng xenlulo không giảm giảm không đáng kể Nhƣng chế độ nhiệt độ 2000C thời gian hàm lƣợng xenlulo giảm rõ rệt ảnh hƣởng mạnh đến tính chất học, vật lý công nghệ - Cấu trúc hóa học gỗ Bạch đàn sau x lý thủy - nhiệt có thay đổi thông qua kiểm tra phổ hồng ngoại FTIR (hình 4.28, hình 4.29 hình 4.30) đặc trƣng cho đỉnh peak nhóm –OH làm tăng tính ổn định kích thƣớc Bên cạnh đó, phân tích phổ nhi u xạ tia X (XRD) chế độ khác làm thay đổi cấu trúc hóa học xenlulo ảnh hƣởng đến độ kết tinh xenlulo gỗ (hình 4.33), theo kết cho thấy độ kết tinh ảnh hƣởng không nhiều Đặc biệt chế độ 160 0C thời gian độ kết tinh ảnh hƣởng thấp Từ kết giải tối ƣu tính chất vật lý, học công nghệ mục 4.6.1, chƣơng luận phân tích kết mục 4.6.2, chƣơng 4, tác giả đề xuất biến số phù hợp thông số công nghệ x lý thủy - nhiệt cho gỗ Bạch đàn phạm vi nghiên cứu luận án nhiệt độ (T = 1600C) thời gian (τ = giờ) 142 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận Qua kết nghiên cứu Luận án ảnh hƣởng chế độ x lý thuỷ - nhiệt đến chất lƣợng gỗ Bạch đàn (Eucalyptus urophylla S.T Blake) thông qua thông số chế độ x lý nhiệt độ thời gian, đến số kết luận nhƣ sau: Xác định ảnh hưởng thông số công nghệ (nhiệt độ thời gian) công nghệ xử lý thủy - nhiệt đến số tính chất vật lý gỗ Bạch đàn - Khối lƣợng thể tích gỗ Bạch đàn sau x lý thuỷ- nhiệt giảm 23,30% so với mẫu chƣa x lý - Hệ số chống trƣơng nở ASE tăng dần từ 23,92% đến 41,11% nhiệt độ thời gian x lý tăng - Hiệu suất chống hút nƣớc WRE tăng dần từ 14,42% đến 42,92% nhiệt độ thời gian x lý tăng Xác định ảnh hưởng thông số công nghệ (nhiệt độ thời gian) công nghệ xử lý thủy – nhiệt đến số tính chất học gỗ Bạch đàn - Độ bền uốn tĩnh gỗ Bạch đàn x lý thuỷ - nhiệt so với gỗ Bạch đàn chƣa x lý giảm từ 105,83 MPa 35,34 MPa (giảm 66,6% so với mẫu chƣa x lý) giảm dần chế độ x lý nhiệt độ thời gia tăng - Độ bền nén dọc thớ (COM//) gỗ Bạch đàn x lý thuỷ - nhiệt so với gỗ Bạch đàn chƣa x lý giảm từ 68,15 MPa 35,22 MPa (giảm 48,32% so với mẫu chƣa x lý) giảm dần tăng nhiệt độ thời gian - Độ bền nén ngang thớ theo chiều xuyên tâm (COM xR): từ 8,95 MPa 3,21 MPa (giảm 65,29% so với mẫu chƣa x lý); Độ bền nén ngang tiếp tuyến (COM x T): từ 7,70 MPa 4,25 MPa (giảm 47,22% so với mẫu chƣa x lý) Giảm dần chế độ nhiệt độ thời gian tăng 143 Xác định ảnh hưởng thông số công nghệ (nhiệt độ thời gian) công nghệ xử lý thủy - nhiệt đến tính chất công nghệ gỗ Bạch đàn - Độ nhám bề mặt (Rmax) giảm từ 115,16 m 71,12 m (giảm 38,24 % so với mẫu chƣa x lý) Điều này, minh chứng nhiệt độ thời gian tăng độ nhám giảm tức nhẵn bề mặt gỗ x lý tăng phạm vi nghiên cứu luận án - Độ bền kéo trƣợt giảm từ 6,69 MPa 1,68 MPa (giảm 74,81% so với mẫu chƣa x lý) Độ bong tách màng keo tăng từ 16,81% đến 39,39% (tăng 57,31% so với mẫu chƣa x lý), chế độ độ bền kéo trƣợt giảm dần bong tách màng keo tăng theo tăng nhiệt độ thời gian, kết luận vùng nghiên cứu luận án gỗ Bạch đàn x lý thủy - nhiệt làm chất lƣợng dán dính giảm Ảnh hưởng thông số công nghệ (nhiệt độ thời gian) công nghệ xử lý thủy - nhiệt đến thay đổi màu s c độ bền màu tự nhiên gỗ Bạch đàn - Màu sắc thay đổi có xu hƣớng tối dần (độ sáng màu L*, số a*,b* độ lệch màu ΔE*) theo tăng nhiệt độ thời gian x lý thủy - nhiệt, cụ thể: độ sáng màu (L*) giảm từ 75,8 xuống 39,0 (so với mẫu chƣa x lý); số a* thay đổi từ 24,27 xuống 7,67 (so với mẫu chƣa x lý); số b* thay đổi từ 43,87 xuống 14,07 (so với mẫu chƣa x lý) độ lệch màu ΔE* thay đổi từ 10,18 đến 50,18 (mẫu chế độ 120-3 so với mẫu chế độ 200-3) - Mức độ biến màu tự nhiên (sau 60 ngày) gỗ x lý thủy – nhiệt giảm nhiệt độ thời gian tăng: chế độ 1200C-3 giờ, 1400C-3 giờ, 1400C-4 1600C-1 màu sắc gỗ thay đổi (ΔE* từ 8,66 xuống 3,6) Còn chế 160 0C-3 giờ, 1600C-5 giờ, 1800C-2 giờ, 1800C-4 2000C-3 màu sắc gỗ thay không thay đổi (ΔE* từ 2,86 xuống 1,65) Ảnh hưởng thông số công nghệ (nhiệt độ thời gian) công nghệ xử lý thủy - nhiệt đến biến đổi cấu tạo (SEM), thành ph n hóa học cấu trúc hóa học (XRD, FTIR) gỗ Bạch đàn sau xử lý thuỷ - nhiệt * Sự thay đổi cấu tạo thành ph n hóa học gỗ Bạch đàn 144 - Cấu tạo hiển vi gỗ Bạch đàn quan sát kính hiển vi điện t quét (FESEM) cho thấy, sau x lý thủy - nhiệt thành phần bị ảnh hƣởng lớn hệ thống lỗ thông ngang vách tế bào hệ thống mạch gỗ - Trong trình x lý x lý thủy – nhiệt chế độ x lý (nhiệt độ thời gian) thay đổi thành phần hóa học gỗ Bạch đàn thay đổi, cụ thể: hemixenlulo phân giải làm giảm hàm lƣợng tuyệt đối xenlulo tổng dẫn đến hàm lƣợng tƣơng đối lignin (ổn định nhiệt lớn) tăng lên Các chất chiết suất bị hòa tan đa tụ tăng nhiệt độ thời gian x lý * Sự thay đổi cấu trúc gỗ Bạch đàn - Qua phƣơng pháp phân tích phổ hồng ngoại (FTIR) tìm đƣợc thay đổi cấu trúc hóa học gỗ Bạch đàn, là: Hàm lƣợng nhóm thân nƣớc (-OH) giảm xuống tăng nhiệt độ thời gian x lý, đồng thời chất chiết xuất bị dịch chuyển bề mặt gỗ làm cho màu sắc gỗ đậm - Kết phân tích nhi u xạ tia X (XRD) cho thấy độ kết tinh xenlulo gỗ sau x lý nhiệt tăng lên, điều gây ảnh hƣởng đến độ dẻo dai gỗ Vùng phù hợp thông số công nghệ (nhiệt độ thời gian) xử lý thủy - nhiệt cho gỗ Bạch đàn Căn vào kết nghiên cứu, thông qua hệ phƣơng trình tính chất vật lý, tính chất học, tính chất công nghệ phân tích đánh giá biến đổi cấu tạo, thành phần hóa học cấu trúc hóa học Tác giả đề xuất biến số phù hợp thông số công nghệ x lý thủy - nhiệt cho gỗ Bạch đàn phạm vi nghiên cứu luận án nhiệt độ (T = 1600C) thời gian (τ = giờ) 5.2 Kiến nghị Kết luận văn bƣớc đầu cho thấy sau x lý thuỷ - nhiệt số tính chất vật lý theo hai chiều khác (tốt chƣa tốt) Tuy vậy, cần có nhiều công trình đƣợc tiếp tục nghiên cứu theo hƣớng sau: - Cần có nhiều nghiên cứu ảnh hƣởng chế độ x lý thuỷ – nhiệt đến thay đổi (xác định) thành phần hoá học chất gỗ gây phản ứng làm ảnh hƣởng đến chất lƣợng dán dính độ nhẵn bề mặt nhiều loại gỗ khác 145 - Nghiên cứu đánh giá độ bền sinh học gỗ x lý thuỷ - nhiệt khả kháng nấm (nấm mục, mọt, nấm biến màu,…) vi sinh vật co hại cho độ bền gỗ mọc nhanh rừng trồng - Nghiên cứu ảnh hƣởng chế độ x lý thuỷ - nhiệt chất chiết xuất gỗ làm thay đổi màu sắc gỗ - Nghiên cứu ảnh hƣởng chế độ x lý thuỷ - nhiệt đến đặc tính âm gỗ - Đánh giá khả chống chịu điều kiện môi trƣờng trời gỗ đƣợc x lý thuỷ - nhiệt - Nghiên cứu x lý thuỷ - nhiệt loại gỗ khác để rút quy luật chung biến đổi tính chất gỗ x lý thuỷ - nhiệt - Trong trình thực x lý cho gỗ có kích thƣớc nhỏ, nhƣng thực tế thƣờng cần x lý thuỷ - nhiệt với phôi gỗ kích thƣớc lớn Vì để phù hợp với thực ti n sản xuất, cần vào kết nghiên cứu Luận án để điều chỉnh thông số công nghệ tiến hành nghiên cứu sản xuất gỗ với kích thƣớc lớn theo yêu cầu sản xuất thực tế - Để định hƣớng giải pháp gia công phù hợp cho gỗ x lý thuỷ - nhiệt để sản xuất đồ gỗ cần nghiên cứu khả gia công gỗ x lý thuỷ - nhiệt máy thông dụng